基于NetMatchStar的miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究

張俊鵬，張 武

（1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理 671003；2.大理大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，云南大理 671003）

微小RNA（MicroRNA，簡稱miRNA）是一類長約23個(gè)核苷酸的內(nèi)源性非編碼小RNA分子。成熟miRNA通過與信使RNA（Messenger RNA，簡稱mRNA）的特定位點(diǎn)結(jié)合，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)程度直接誘導(dǎo)mRNA降解或抑制mRNA翻譯蛋白質(zhì)〔1〕。我們已了解到miRNA在細(xì)胞分化、細(xì)胞生長、細(xì)胞調(diào)亡和癌癥發(fā)生發(fā)展等生物學(xué)過程中起著關(guān)鍵作用〔2〕。

miRNA與靶基因mRNA之間的調(diào)控關(guān)系就構(gòu)成了miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。它是一種復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)，并且在該網(wǎng)絡(luò)中往往存在許多相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Milo等〔3〕將這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元定義為網(wǎng)絡(luò)模體。具體來說，網(wǎng)絡(luò)模體是具有特定結(jié)構(gòu)的小規(guī)模子圖或子網(wǎng)絡(luò)，較之隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的頻率更高。因此，挖掘miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的子網(wǎng)絡(luò)，有利于揭示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的核心功能單元，進(jìn)一步深入理解miRNA的調(diào)控作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

1.1 miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)指miRNA通過序列堿基互補(bǔ)配對(duì)原則調(diào)控靶基因mRNA表達(dá)所組成的網(wǎng)絡(luò)，屬于基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。它能進(jìn)一步了解miRNA和mRNA之間的調(diào)控機(jī)制，在治療疾病，篩選藥物靶標(biāo)和設(shè)計(jì)治療藥物方面上有很大幫助。

目前，miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫主要分為計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型。計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)型數(shù)據(jù)庫主要依靠miRNA和mRNA序列信息來識(shí)別miRNA靶標(biāo)，因此假陽性率高。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型數(shù)據(jù)庫雖然耗材、耗時(shí)以及效率低，但miRNA靶標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率高。為了研究更加真實(shí)的miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，本文選取 miRTarBase v6.1〔4〕、TarBase v7.0〔5〕和miRWalk v2.0〔6〕3個(gè)普遍使用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型數(shù)據(jù)庫作為miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源。3個(gè)數(shù)據(jù)庫之間的miRNA-mRNA調(diào)控關(guān)系重合數(shù)只有24 967，如圖1所示。該結(jié)果表明：不同數(shù)據(jù)庫中，miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)差異性很大。為了收集更全面的miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，本文整合這3種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型數(shù)據(jù)庫作為miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源，其miRNA-mRNA調(diào)控對(duì)數(shù)為466 496。

1.2 NetMatchStar方法NetMatchStar〔8〕是一種基于Cytoscape〔9〕平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模體挖掘方法。給定n個(gè)節(jié)點(diǎn)，它可以自定義任何類型的n-點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模體，其圖匹配計(jì)算復(fù)雜度在最好的情況下為Θ(n2)，然而最壞情況是Θ(n!n)。由于涉及到許多參數(shù)設(shè)置（節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，邊個(gè)數(shù)，模體出現(xiàn)頻次等），普通圖匹配方法很難有效進(jìn)行n-點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模體挖掘。然而，Net?MatchStar仍然能夠高效的挖掘任意n-點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模體。因此，從計(jì)算復(fù)雜度角度考慮，NetMatchStar解決了圖匹配中的一個(gè)非多項(xiàng)式完全問題（NP-com?plete）。

圖1 miRTarBase、TarBase和miRWalk 3種數(shù)據(jù)庫之間的UpSet圖〔7〕

由于miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是一類有向生物網(wǎng)絡(luò)，因此自定義網(wǎng)絡(luò)模體時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)之間的方向性。為了研究miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)，本文專注于單靶標(biāo)miRNA協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模體，見圖2。

圖2 單靶標(biāo)miRNA協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模體

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 人類miRNA家族協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)為了研究人類miRNA家族協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)，本文選取9種miRNA家族：miR-200，miR-302，miR-320，miR-374，miR-376，miR-513，miR-517，miR-519和miR-520。miR-200家族有 5個(gè)成員：miR-141，miR-200a∕b∕c 和 miR-429。miR-302 家族有 6 個(gè)成員：miR-302a∕b∕c∕d∕e∕f。 miR-320 家 族 有 5 個(gè) 成 員 ：miR-320a∕b∕c∕d∕e。miR-374家族有3個(gè)成員：miR-374a∕b∕c。miR-376家族有3個(gè)成員：miR-376a∕b∕c。miR-513家族有3個(gè)成員：miR-513a∕b∕c。miR-517家族有3個(gè)成員：miR-517a∕b∕c。miR-519家族有5個(gè)成員：miR-519a∕b∕c∕d∕e∕f。miR-520家族有8個(gè)成員：miR-520a∕b∕c∕d∕e∕f∕g∕h。

使用單靶標(biāo)miRNA協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模體分別對(duì)9種miRNA家族調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行挖掘，n為miRNA家族的成員個(gè)數(shù)。9種miRNA家族協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)大小具有差異性，見圖3。具有相同成員個(gè)數(shù)的miRNA家族（例如miR-374，miR-376，miR-513和miR-517）所協(xié)同調(diào)控的靶基因個(gè)數(shù)也具有差異性。另外，9種miRNA家族協(xié)同調(diào)控的靶基因也不同。該結(jié)果預(yù)示著，每個(gè)miRNA家族通過協(xié)同調(diào)控不同靶基因來實(shí)現(xiàn)特定的生物學(xué)功能。

2.2 靶基因信號(hào)通道富集分析為了研究靶基因與哪些信號(hào)通道顯著性相關(guān)，功能分析軟件pathDIP〔10〕用來對(duì)miRNA家族協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)中的靶基因進(jìn)行富集分析。pathDIP整合了20種信號(hào)通道數(shù)據(jù)庫資源，有助于全面了解靶基因所富集的信號(hào)通道。不同miRNA家族靶基因顯著性相關(guān)的信號(hào)通道如表1所示。

根據(jù)靶基因富集分析，miR-200家族與miRNA癌癥通道顯著性相關(guān)，miR-302與細(xì)胞凋零通道緊密相關(guān)，miR-320參與AMPK信號(hào)通道，miR-374參與非典型Wnt信號(hào)通道，miR-519家族參與FoxO和TGF-β信號(hào)通道。這些信號(hào)通道都與癌癥的發(fā)生和發(fā)展緊密相關(guān)，從而間接反映這些miRNA家族與癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

3 結(jié)束語

圖3 單靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)模體所組成的家族協(xié)同調(diào)控子網(wǎng)絡(luò)

NetMatchStar能夠自定義網(wǎng)絡(luò)模體，因此可以根據(jù)需要設(shè)置miRNA協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模體來研究miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這將大大增加miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析的靈活性，便于多角度研究miRNA之間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系。在線軟件pathDIP對(duì)網(wǎng)絡(luò)模體組成的子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)通道富集分析，能夠挖掘出與靶基因顯著性相關(guān)的信號(hào)通道，從而間接了解miRNA參與的信號(hào)通道?？傊?，miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)屬于大型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，從大量的miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中挖掘出更多具有生物學(xué)意義的信息，有利于更好的了解miRNA調(diào)控作用機(jī)制，以及潛在的生物學(xué)功能。

表1 不同miRNA家族靶基因顯著性相關(guān)的信號(hào)通道

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